BADANIA PLAZMY I SYNTEZY TERMOJĄDROWEJ W IFPiLM

Transkrypt

1 PL BADANIA PLAZMY I SYNTEZY TERMOJĄDROWEJ W IFPiLM Andrzej Gałkowski Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, Warszawa WSTĘP Prace w zakresie fizyki plazmy i kontrolowanej syntezy termojądrowej prowadzone są w IFPiLM od początku istnienia Instytutu, tzn. od roku Dotyczą one zarówno plazmy utrzymywanej inercyjnie, generowanej za pomocą intensywnego promieniowania laserowego, jak i plazmy utrzymywanej magnetycznie, wytwarzanej za pomocą wyładowań silnoprąd owych typu plasma focus i tokamak. BADANIA PLAZMY WYTWARZANEJ INTENSYWNYM PROMIENIOWANIEM LASEROWYM Na początku lat sześćdziesiątych, krótko po skonstruowaniu laserów, rozpoczęły się badania oddziaływania wiązki promieniowania laserowego z materią. Badania te szybko rozwinęły się na szeroką skalę. Dodatkowym impulsem do intensyfikacji tych prac było zbudowanie pod koniec lat sześćdziesiątych laserów generujących promieniowanie o gęstościach mocy ponad Wcm" 2, umożliwiających generację plazmy termojądrowej. W IFPiLM w początkowym okresie (do roku 1988) dominującą problematyką, którą zajmował się zespół realizujący badania plazmy wytwarzanej laserami, była optymalizacja sferycznej laserowej kompresji tarcz mikrobalonowych z użyciem czterowiązkowego lasera Nd w IFPiLM i systemów laserowych KALMAR i DELFIN w Instytucie Fizyki im. Lebiediewa (FIAN) w Moskwie (w ramach współpracy naukowej) pod kątem potrzeb syntezy laserowej. We współpracy z FIAN wykorzystywano własną aparaturę diagnostyczną do pomiaru parametrów jonów i promieniowania X emitowanego z plazmy oraz układy polaro-interferometryczne do pomiarów pól magnetycznych i rozkładów koncentracji plazmy. W roku 1988 zaprzestano badań syntezy laserowej w eksperymentach sferycznych ze względu na to, że parametry laserów w IFPiLM i w FIAN znacznie odbiegały od parametrów nowych wielkich laserów w głównych ośrodkach światowych. W dalszym ciągu prowadzono badania procesów w plazmie laserowej (w eksperymentach z tarczami płaskimi) mających ważne znaczenie dla optymalizacji syntezy laserowej. Obecnie w Zakładzie Fizyki Plazmy Laserowej w IFPiLM realizowane są następujące badania naukowe i prace techniczno-aparaturowe: badania własności plazmy laserowej o dużej liczbie atomowej Z (głównie metodami diagnostyki jonowej) połączone z optymalizacją emisji strumienia jonów wieloładunkowych (do zastosowań praktycznych), badania wpływu zewnętrznego pola magnetycznego na własności plazmy wytwarzanej laserem, badanie plazmy wytwarzanej laserem Nd emitującym impulsy o czasie trwania 1 ps przy gęstościach mocy > 10 1 Wcm" 2, badanie emisji promieniowania X z plazmy laserowej (w różnych warunkach eksperymentalnych), automatyzacja rejestracji i analizy pomiarów diagnostycznych plazmy laserowej. Celem realizacji pierwszego tematu jest poznanie złożonych procesów fizycznych występujących w procesie grzania i rozlotu plazmy laserowej o dużym Z. Badania te są ważne zarówno ze względów poznawczych jak i aplikacyjnych, bowiem plazma taka występuje w 68

2 2tarczach stosowanych do badań tzw. pośredniej syntezy laserowej (wykorzystującej promieniowanie X z tej plazmy do symetrycznej implozji tarcz termojądrowych), a także rozpatrywana jest jako źródło jonów wieloładunkowych dla akceleratorów ciężkich jonów oraz do implantacji jonowej zmieniającej własności materiałów. Badania powyższe realizowane są we współpracy z zespołami z Instytutu Fizyki ANRC w Pradze, Europejskiego Centrum Badań Jądrowych (CERN) w Genewie i Wyższej Szkoły Technicznej w Regensburgu (Niemcy). Metody pomiarowe najważniejsze dla tych badań (diagnostyki jonowe) zostały opracowane i zbudowane w IFPiLM. W ramach badania wpływu zewnętrznego pola magnetycznego na własności plazmy wytwarzanej laserem realizowane są następujące tematy naukowe: badania wpływu silnego pola magnetycznego na hydrodynamikę plazmy wytwarzanej laserem, z wykorzystaniem zautomatyzowanego interferometru trójkadrowego zbudowanego w IFPiLM, (od roku 1996) symulacja zjawisk w plazmie okołoziemskiej za pomocą plazmy laserowej (współpraca z Instytutem Fizyki Laserów w Nowosybirsku), (od roku 1998) formowanie wiązki jonów z plazmy laserowej za pomocą pól magnetycznych i elektrycznych z zamiarem zastosowania tej wiązki do zasilania źródła jonów typu ECR (współpraca z INFN-LNS w Katanii, Włochy, i Instytutem Fizyki ANRC w Pradze). Od roku 1997 prowadzone są badania oddziaływania z materią promieniowania laserowego wielkiej gęstości mocy ( > Wcm" 2 ). Wykorzystywany jest do tego laser generujący impulsy o czasie trwania 1 ps (por. zdjęcie), zbudowany w IFPiLM wspólnie z Instytutem Optyki im. Wawiłowa w Petersburgu. Badania te, prowadzone głównie z użyciem diagnostyk jonowych, dostarczają oryginalnych wyników dotyczących generacji i emisji jonów z plazmy. Uczestniczy w nich zespół z Instytutu Fizyki w Pradze. Badania emisji promieniowania X z plazmy wytwarzanej laserem mają na celu doskonalenia metod diagnozowania tego promieniowania. Tematyka ta rozwijana jest wspólnie z zespołami z Instytutu Fizyki ANCR w Pradze i z Instytutu Badawczego Fizyki Technicznej WAN w Budapeszcie. BADANIA PLAZMY W URZĄDZENIU PLASMA FOCUS Plasma focus jest urządzeniem impulsowym wykorzystującym silnoprądowe wyładowanie w gazie, pomiędzy odpowiednio ukształtowanymi elektrodami, do wytwarzania i kompresji plazmy. Elektrody umieszczone są w komorze wypełnionej gazem pod bardzo niskim ciśnieniem i zasilane z baterii kondensatorów o energii od kilkudziesięciu kj do MJ. W obszarze międzyelektrodowym powstaje warstwa plazmy, która w miarę rozwoju wyładowania przemieszcza się w wyniku działania siły Ampera (j*b) wzdłuż współosiowych, cylindrycznych elektrod. Warstwa ta przemieszcza się aż do krawędzi elektrod, po czym następuje kumulacja (faza pinchu) i powstaje ognisko plazmowe, czyli zgęstek gorącej plazmy (ang. plasma focus). 69

3 Od roku 1975 w EFPiLM pracowały dwa urządzenia plasma focus: PF-20 o energii nominalnej baterii 20 kj i PF-150 o energii nominalnej 150 kj. Na urządzeniu PF-150 przeprowadzono w 1975 roku badania kompresji i nagrzewania plazmy w łącznym zestawie focus-laser (F-L). W układzie tym wiązka lasera CO2 (EL=200 J, TL=60-H00 ns) wprowadzana była przez otwór w elektrodzie centralnej i skupiana na ognisku plazmowym. Układy były zsynchronizowane tak, aby czas oddziaływania impulsu laserowego i impulsowego wyładowania PF-a był optymalny i możliwie jak najdłuższy (ok. 50 ns). Wyniki eksperymentu F-L okazały się obiecujące. Uzyskano średnio dwu-, trzykrotny przyrost emisji neutronów w układzie F-L w stosunku do układu bez lasera. Pomiary temperatury wykazały, zgodnie z oczekiwaniem, wzrost temperatury elektronowej plazmy ogniska o 50 %. W połowie roku 1991 zakończono na terenie IFPiLM budowę urządzenia PF-1000 (por. zdjęcie) będącego jednym z największych na świecie układów typu plasma focus. Montażu i uruchomienia tego urządzenia dokonały zespoły pracowników EFPiLM oraz IPJ, współpracujące ściśle ze sobą, wykorzystując projekt oraz elementy i podzespoły przygotowane przez IPJ. W trakcie badań testowych stwierdzono, że układ zasilający PF może generować impulsy prądowe o amplitudzie do 11 MA i czasie narastania 5.5 JJ,S. Prace badawcze w zakresie fizyki zjawiska plasma focus koncentrują się na następujących zagadnieniach: Badania eksperymentalne procesów fizycznych zachodzących w fazie pinchu w urządzeniu plasma focus, a w szczególności badania rozpadu zgęstka plazmowego i emisji wiązek jonowych z plazmy oraz badania widm wysokozdartych jonów argonu, w powiązaniu z dynamiką/róc/zw. Badania oddziaływania warstwy plazmowej ze stałociałowym włóknem aluminiowym lub pianowym, umie uczonym na osi elektrod generatora PF-1000, ze szczególnym uwzględnieniem mięk* 3go promieniowania X emitowanego w trakcie tego oddziaływania. Badania teoretyczne związane z modelowaniem numeryczn) propagacji fali spalania termojądrowego w układzie Z-pinch i modelowania numer} lego zjawiska przebbia elektrycznego w układzie elektrod układu PF W pracach eksperymentalnych stosowane są systemy diagnostyk odpowiednie do każdego z badanych zagadnień. W wypadku pomiarów jonowych, prowadzonych wspólnie z Instytutem Problemów Jądrowych w Świerku, stosowane są detektory śladowe CR-39 oraz spektrometr Thomsona. Pomiary widm z plazmy argonowej wykonywane są za pomocą spektrometru rentgenowskiego, natomiast w badaniach związanych z oddziaływaniem warstwy plazmowej z włóknem stałociałowym pomiary charakterystyk promieniowania rentgenowskiego prowadzone są za pomocą bezwzględnie wyskalowanych diod typu PIN. We wszystkich eksperymentach plazmę fotografowano szybką kamera smugową pracującą w zakresie widzialnym promieniowania. W zakresie rentgenowskim stosowane są urządzenia camera obscura z foliami berylowymi o różnej grubości. Pomiary pochodnej prądu (za pomocą sondy magnetycznej) oraz pomiary prowadzone za pomocą sondy napięciowej pozwalają określić przebiegi prądu i napięcia w czasie ewolucji plazmy w urządzeniu PF. 70

4 TOKAMAKII SYNTEZA TERMOJĄDROWA Prace w zakresie teorii magnetycznego utrzymania plazmy w zamkniętych pułapkach magnetycznych typu tokamak zostały podjęte w roku 1986 w ramach prowadzonej wówczas współpracy z Instytutem Energii Atomowej im. Kurczatowa w Moskwie. Współpraca ta dotyczyła rosyjskiego projektu T-15 i w zakresie teorii i modelowania obejmowała dwa tematy: fizykę i dynamikę plazmy przyściennej ze szczególnym uwzględnieniem domieszek niewodorowych, kinetykę cząstek a pochodzących z reakcji syntezy jąder deuteru i trytu. W roku 1993 tematyka badań teoretycznych w tym obszarze została wzbogacona o zagadnienie równowagi plazmy tokamaka, w którym występują około dźwiękowe przepływy wywołane grzaniem wiązkami atomów i/lub mikrofal. Prace te zmierzały do wyjaśnienia zjawisk relaksacyjnych obserwowanych w plazmie tokamaka takich jak oscylacje piłokształtne, zerwania oraz bifurkacja mod L/mod H na gruncie teorii MHD (idealnej). Kluczem była konstatacja stwierdzająca, że układ równań opisujących równowagę plazmy z przepływami jest silnie nieliniowy i dopuszcza znacznie bogatszą rodzinę rozwiązań niż analogiczny układ opisujący równowagę statyczną. Na tej podstawie zostały znalezione rozwiązania odpowiadające czterem gałęziom równania Bernoulli'ego oraz gałęziom związanym z nieliniowością samego równania Grada-Szafranowa-Schlutera. Mnogość tych rozwiązań jest zbieżna z mnogością stanów, w jakich może się znajdować plazma toroidalna w pułapce typu tokamak. Pierwsze z wymienionych zagadnień związane jest z jednym z najtrudniejszych problemów reaktora termojądrowego problemem takiego odprowadzania energii wyzwalającej się w wyniku fuzji, aby obciążenie ścian komory i elementów stykających się z plazmą było poniżej wartości krytycznych. Plazma w tym obszarze jest na granicy stosowalności podejścia płynowego i modele tego typu wymagają zaangażowania zaawansowanych teorii transportu (należy uwzględniać wyższe momenty równania kinetycznego typu Fokkera-Plancka). Taki model został opracowany w IFPiLM i zaimplementowany do kodu numerycznego o nazwie EPIT {Edge Plasma Impurity Transport). Kod EPIT był intensywnie wykorzystywany do analizy eksperymentów na tokamaku FTU (Frascati Tokamak Upgrade) we Frascati, Włochy. W ramach prowadzonych prac rozwijano następujące tematy badawcze: opis analityczny transportu zanieczyszczeń w warstwie brzegowej tokamaka, symulacje numeryczne (za pomocą kodu EPIT) plazmy obserwowanej w eksperymentach na tokamaku FTU, analizy numeryczne transportu plazmy i zanieczyszczeń w tokamaku-reaktorze (IGNITOR, ITER). Za pomocą dwuwymiarowego wielopłynowego kodu numerycznego EPIT przeprowadzono analizy parametrów plazmy w warstwie brzegowej tokamaka FTU wyposażonego w poloidalny limiter wykonany z niklu. Dokonano porównania wyników symulacji komputerowych z wynikami eksperymentu. W wyniku przeprowadzonych analiz stwierdzono, że promieniowanie liniowe jonów niklu odpowiedzialne jest za silne straty energii plazmy w wypadku wyładowań o niskiej gęstości, przyczyniając się do ograniczenia temperatury elektronowej plazmy do poziomu poniżej 30 ev. Określona na drodze empirycznej zależność gęstości plazmy brzegowej od gęstości plazmy w tokamaku została potwierdzona przez obliczenia numeryczne. Za pomocą kodu EPIT przeprowadzone zostały analizy parametrów plazmy w tokamaku-reaktorze wyposażonym w poloidalny diwertor. 71

5 Analizy te, wykonane dla różnych materiałów płyty diwertora (Be, C, Ni), pokazują, że zastosowanie materiałów o dużej liczbie atomowej (Ni) powoduje ograniczenie strumienia jonów zanieczyszczeń wybijanych z płyt diwertora przy jednoczesnym wzroście strat radiacyjnych w obszarze przyściennym. W 1997 rozpoczęto współpracę pomiędzy EFPiLM i Instytutem Fizyki Plazmy w Julich (Niemcy), której celem jest teoretyczny opis procesów fizycznych zachodzących w plazmie urządzenia tokamak. W ramach wspólnych prac dokonano modernizacji kodu EPIT: uwzględnione zostały efekty związane z ruchami dryfowymi i przepływem prądu w warstwie brzegowej tokamaka oraz wprowadzono do kodu rzeczywistą, krzywoliniową strukturę pola magnetycznego. Ponadto uwzględniono efekty anomalne w równaniach opisujących bilans energii jonów i elektronów oraz włączono do modelu dodatkowe źródło atomów wodoru w pobliżu wewnętrznego limitera tokamaka TEXTOR (por. zdjęcie). Nowa wersja kodu nosi nazwę TECXY. Zmiany wprowadzone do kodu TECXY pozwoliły na: osiągnięcie lepszej zgodności pomiędzy mierzonymi i wyliczonymi radialnymi profilami plazmy w obszarze brzegowym tokamaka TEXTOR; wyjaśnienie obserwowanej eksperymentalnie zmienności poloidalnej parametrów plazmy w warstwie przyściennej tokamaka TEXTOR; przeprowadzenie analiz numerycznych silnie promieniujących obszarów plazmy (chodzi o tzw. zjawisko MARFE), pojawiających się w pobliżu wewnętrznego limitera tokamaka TEXTOR podczas wyładowań ze stosunkowo dużą gęstością plazmy. Przeprowadzone obliczenia przyczyniły się do poprawnego opisu obserwacji eksperymentalnych, w szczególności pozwoliły na identyfikację granicy stabilności pomiędzy wyładowaniami ze zjawiskiem MARFE i bez niego. Za pomoc dziękują Tadeuszowi Pisarczykowi, Markowi Scholzowi, Jerzemu Wołowskiemu i Romanowi Zagórskiemu. 72